《壓力測試技術(shù)》PPT課件.ppt

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1、第三章 壓力測試技術(shù),3.1 壓力的力學(xué)測量方法 3.2 壓力的電學(xué)測量方法 3.3 電阻應(yīng)變式壓力傳感器 3.4 壓阻式壓力傳感器 3.5 電感式壓力傳感器 3.6 壓電式壓力傳感器 3.7 壓力檢測儀表的安裝 3.8 傳感器的標(biāo)定,劉 漢 周 動力學(xué)院,概述,垂直作用在單位面積上的力稱壓力。在國際單位制（SI）和我國法定計量單位中，壓力的單位是“帕斯卡”，簡稱“帕”，符號為“Pa”。 即1N的力垂直均勻作用在1m2的面積上所形成的壓力值為1Pa。,,過去采用的壓力單位“工程大氣壓力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大氣壓”（atm）、“巴

2、”（bar）、“PSI”等均應(yīng)改成法定計量單位帕。 1 kgf/cm2 = 0.9807105Pa 1mmH2O = 0.980710Pa 1 mmHg = 1.332102Pa 1atm = 1.01325105Pa 1bar=105Pa 1PSI=6.89103Pa,壓力表示方式,絕對壓力 PJ 大氣壓力 PD 表壓力 PB PB= PJ PD 真空度 PZ（負(fù)壓） PZ PD PJ,壓力測量方法,一、力學(xué)測量方法：液體壓力平衡、彈性力平衡 二、電學(xué)測量方法：電位式、應(yīng)變式、電容式、電感式、電渦流、壓電式、壓阻式,3.1.1液體壓力平衡 利用液柱對液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測壓力相平衡的

3、原理，通過液柱高度來反映被測壓力的大小 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度，在本專業(yè)中應(yīng)用很廣泛 缺點：量程受液柱高度的限制，體積大，玻璃管容易損壞及讀數(shù)不方便,3.1 壓力的力學(xué)測量方法,,采用水銀或水為工作液，用U形管或單管進(jìn)行測量，常用于低壓、負(fù)壓或壓力差的檢測 被廣泛用于實驗室壓力測量或現(xiàn)場鍋爐煙、風(fēng)道各段壓力、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各段壓力的測量,一、U形管壓力計,P=P1P2 =g(h1+h2),提高工作液密度將增加壓力的測量范圍，但靈敏度要降低。,靜止液體的壓力,流量孔板的壓降,皮托管測速,測速管,壓力測量在氣固兩相流中的應(yīng)用,完整的壓力測量系統(tǒng),,二、單管壓力計,由于U形管壓力

4、計需兩次讀取液面高度，為使用方便，設(shè)計出一次讀取液面高度的單管壓力計。,,因 則 故 由于 Dd，所以 P =gh2,三、斜管微壓計,主要用于測量微小壓力、負(fù)壓和壓差，它將單管液柱壓力計的測量管傾斜放置，這樣可以提高靈敏度，減少讀數(shù)相對誤差。,,,,傾斜角度越小，l越長，測量靈敏度就越高；但不可太小，否則液柱易沖散，讀數(shù)較困難，誤差增大。 這種傾斜管液柱式壓力計可以測量到0.98Pa的微壓。為了進(jìn)一步提高微壓計的精確度，應(yīng)選用密度小的酒精作為工作液體。,3.1.2 彈性力平衡方法,用彈性傳感器（又稱彈性元件）組成的壓力測量儀表稱為彈性式壓力計。彈性元件受壓后產(chǎn)生的形變輸出（力或位

5、移），可以通過傳動機(jī)構(gòu)直接帶動指針指示壓力（或壓差），也可以通過某種電氣元件組成變送器，實現(xiàn)壓力（或壓差）信號的遠(yuǎn)傳。,,彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓后會產(chǎn)生變形，變形大小與被測壓力成正比關(guān)系。,,彈簧管 截面為非圓形（橢圓形或扁圓形），并彎成圓弧狀的空心管子 一端為封閉（自由端），一端為開口（固定端）,,彈簧管壓力表 結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，使用范圍廣，測量范圍寬 可測負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓 精度有0.5、1.0、1.5、2.5等,彈性式壓力計的誤差,1遲滯誤差 相同壓力下，同一彈性元件正反行程的變形量不一樣，產(chǎn)生遲滯誤差。 2后效誤差 彈性元件的變形落后于被測壓力的變化，引起彈性后

6、效誤差。 3間隙誤差 儀表的各種活動部件之間有間隙，示值與彈性元件的變形不可能完全對應(yīng)，引起間隙誤差。 4摩擦誤差 儀表的活動部件運(yùn)動時，相互間存在摩擦力，產(chǎn)生摩擦誤差。 5溫度誤差 環(huán)境溫度的變化會引起金屬材料彈性模量的變化，造成溫度誤差。,彈性式壓力計誤差的改善途徑,1用無遲滯誤差或遲滯誤差極小的“全彈性”材料和溫度誤差很小的“恒彈性”材料制造彈性元件。 2采用新的轉(zhuǎn)換技術(shù)，減少或取消中間傳動機(jī)構(gòu)，以減少間隙誤差和磨擦誤差。 3限制彈性元件的位移量，采用無干磨擦的彈性支承或磁懸浮支承等。 4采用合適的制造工藝，使材料的優(yōu)良性能得到充分的發(fā)揮。,壓力儀表的校驗,常用的校驗儀表是活塞式壓力計。

7、,校驗就是將被校壓力表和標(biāo)準(zhǔn)壓力表通以相同壓力，比較它們的指示值，如果被校表對于標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)誤差不大于被校表的最大允許絕對誤差時，則認(rèn)為被校表合格。,,1-油杯； 2-針閥； 3-進(jìn)油閥； 4-油缸； 5-活塞； 6-砝碼； 7-托盤； 8-聯(lián)接螺母； 9-導(dǎo)管； 10-手搖油泵； 11-水平調(diào)節(jié)螺釘； 12-底盤,3.2 壓力的電學(xué)測量方法,壓力量的電測系統(tǒng) 1.傳感器；2.測量回路；3.記錄或顯示器,3.3 電阻應(yīng)變式壓力傳感器,電阻應(yīng)變測量系統(tǒng) 電阻應(yīng)變計傳感元件； 電阻應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換部分，它將構(gòu)件表面的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值的相對變化，并將應(yīng)變計電阻的相對變化(以電橋轉(zhuǎn)換的方式)轉(zhuǎn)換成電壓或電流

8、信號。 記錄儀器記錄電阻應(yīng)變儀的輸出。,電阻應(yīng)變計測量特點,測量方法簡單，價格低廉； 靈敏度高，測量應(yīng)變的靈敏度可達(dá)l微應(yīng)變，即等于10-6mmmm，準(zhǔn)確度可達(dá)12； 頻率響應(yīng)好，可測量0500 000 Hz的動態(tài)應(yīng)變，慣性極??； 測量應(yīng)變范圍大，量程寬； 可在高溫(8001000)低溫(-100-270 )高壓液(高達(dá)上萬個大氣壓)、高速旋轉(zhuǎn)(幾千轉(zhuǎn)幾萬轉(zhuǎn)分)強(qiáng)磁場、核幅射等特殊條件下進(jìn)行測量。 輸出為電信號?？蛇h(yuǎn)距離傳輸信號或用計算機(jī)控制，也可用無線電發(fā)報方式進(jìn)行遙測。 用電阻應(yīng)變計作為傳感元件可制成各種傳感器。用于測量力、壓強(qiáng)、扭矩、加速度等物理量，應(yīng)用廣泛，應(yīng)用于傳感器的精度可達(dá)0.0

9、51。電阻應(yīng)變式壓力傳感器就是眾多電阻應(yīng)變計中的一種。,應(yīng)變式壓力傳感器工作原理,應(yīng)變片是基于應(yīng)變效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，當(dāng)應(yīng)變片受外力作用產(chǎn)生形變時，應(yīng)變片的電阻值也將發(fā)生相應(yīng)變化。 應(yīng)變式壓力傳感器是由彈性元件、應(yīng)變片以及相應(yīng)的橋路組成的。,電阻應(yīng)變式壓力傳感器（1）,結(jié)構(gòu)原理 壓力使彈性敏感元件變形，導(dǎo)致敏感元件的電阻發(fā)生變化。通過電橋記錄電信號的變化，達(dá)到測壓的目的。 分為粘貼式與非粘貼式兩種； 特點： 結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，量程寬，應(yīng)用特殊場合。 輸出信號小，對環(huán)境溫度反應(yīng)靈敏。,金屬電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu),箔式應(yīng)變片,,電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時 其電阻值將

10、發(fā)生變化,,F l、A 、 R,,,金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng),電阻絲應(yīng)變效應(yīng),材料的縱向應(yīng)變，即單位長度上的伸長量。 橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，稱“泊松比”,高靈敏度系數(shù)電阻絲材料的要求,靈敏系數(shù)k0盡量大，以使變換器的輸出大。 靈敏系數(shù)k0在盡可能大的應(yīng)變范圍內(nèi)是常數(shù)，即電阻變化與應(yīng)變成線性關(guān)系. 具有足夠的熱穩(wěn)定性，電阻溫度系數(shù)要小，以減少溫度變化引起電阻變化所產(chǎn)生的誤差。 電阻率高。當(dāng)要求應(yīng)變片具有一定的電阻值時，使得線材的長度短，絲柵的尺寸小。 具有優(yōu)良的加工與焊接性能。,電阻應(yīng)變片的工作特性,1.應(yīng)變片靈敏度系數(shù) 影響因素：電阻絲靈敏度系數(shù)、敏感柵尺寸、形狀、粘結(jié)劑、基底、應(yīng)變計粘貼位

11、置及方向 2.應(yīng)變片的溫度特性 溫度變化 電阻絲與試件的線膨脹系數(shù)變化,電阻應(yīng)變式壓力傳感器（2）,電阻應(yīng)變片的溫度效應(yīng)： 由溫度變化引起的電阻變化； 溫度補(bǔ)償方法： 自補(bǔ)償法； 橋路補(bǔ)償法：在電橋中加入補(bǔ)償片，補(bǔ)償溫度變化引起的電阻偏差。 電阻應(yīng)變式壓力傳感器 結(jié)構(gòu) 懸鏈膜-應(yīng)變管式 張絲式 在火電廠的應(yīng)用 稱重式給煤機(jī) 汽車衡,橋路補(bǔ)償法,電阻應(yīng)變式壓力傳感器,,汽車衡,稱重式皮帶給煤機(jī),,容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器,,液位傳感器,式中 A1 、A2傳感器的傳輸系數(shù)； g 重力加速度(m/s2)； 被測溶液的密度(Kg/m3)。,溶液重量,式中 Q容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量(N)

12、 ； D柱形容器的截面積(m2)。,應(yīng)變式加速度傳感器,,在低頻（1060Hz）振動測量中得到廣泛的應(yīng)用, 但不適用于頻率較高的振動和沖擊。,應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 1等強(qiáng)度梁 2質(zhì)量塊 3殼體 4電阻應(yīng)變片,3.4 壓阻式壓力傳感器,壓阻元件是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，它指在半導(dǎo)體材料的基片上用基成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，當(dāng)它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變化而改變。 擴(kuò)散電阻正常工作需依附彈性元件，常用的是單晶體硅膜片。,,電阻的靈敏系數(shù),對于半徑為r的圓導(dǎo)體，A=r2，A/A=2r/r 又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，,,為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變

13、度量； 為電阻絲材料的泊松比，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，稱“泊松比”一般金屬=0.30.5； 為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量；,,金屬電阻的靈敏系數(shù),,,,材料的幾何尺寸變化引起的 材料的電阻率隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)）,金屬材料：k0以前者為主，則k01+2=1.73.6 半 導(dǎo) 體：k0值主要是由電阻率相對變化所決定,壓阻式壓力傳感器的測量特點,(1)結(jié)構(gòu)簡單，可微型化。有效面積的直徑僅有零點幾毫米或更??； (2)精度高。實際精度可達(dá)0.1--0.05，最高可達(dá)0.01?？煽啃愿?，廣泛用于宇航和航空工業(yè)中； (3)頻率響應(yīng)高。傳感器本身的固有頻率高，可達(dá)5 0---1

14、500 kHz。因此可以測幾千赫幾十千赫以上的脈動壓力； (4)靈敏度高，其靈敏度系數(shù)比金屬絲應(yīng)變式壓力傳感器高50---1 00倍。分辨力高，可測僅有1--2 mm水柱的微壓； (5)輸出電平大，可達(dá)200 mV左右，有時可不加放大器直接測量其輸出信號。,壓阻式壓力傳感器測量的主要缺點,壓阻式壓力傳感器在測量中存在著測量較大應(yīng)變時，存在非線性較嚴(yán)重及電阻和靈敏度系數(shù)的溫度穩(wěn)定性差的不足，因此必須找到有效、可靠的溫度補(bǔ)償措施。,,,,,r0，r、t達(dá)最大值,,,r=0.58r0， r=0,r=r0，r達(dá)負(fù)的最大值,r=r0， t=0,,壓阻式壓力傳感器輸出,3.5 電感式壓力傳感器,單繞組電感

15、變換器,差動式電感傳感器,為了克服單繞組電感傳感器的缺陷，設(shè)計了差動式電感傳感器。即用兩只幾何尺寸完全相同、導(dǎo)磁體材料相同、上下線圈的電氣參數(shù)即線圈銅電阻，電感、匝數(shù)完全一致的單繞組電感傳感器組成。 長處：靈敏度高，精度高；輸出信號大，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長。 不足之處：因溫度影響造成測量誤差較大。不適合高頻脈動壓力的測量，常用于準(zhǔn)動態(tài)、頻率較低的壓力測量。,電動差壓變送器,,差壓變送器,3.6 壓電式壓力傳感器,1. 壓電式壓力傳感器 壓電效應(yīng)原理：壓電材料受壓時會在其表面產(chǎn)生電荷，其電荷量與所受的壓力成正比。 壓電材料：單晶體、多晶體 特點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，線性度好

16、，頻率響應(yīng)高，量程范圍廣,壓電材料,壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類： 壓電晶體（如石英晶體）； 經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷； 高分子壓電材料。,壓電效應(yīng),順壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象( 加力 變形 產(chǎn)生電荷) 逆壓電效應(yīng)電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象。(施加電場 電介質(zhì)產(chǎn)生變形 應(yīng)力 ),當(dāng)壓電晶片確定后，則極板間的電壓Ua和外力Fx成正比,,1. 石英晶體的壓電效應(yīng),X軸：電軸或1軸； Y軸：機(jī)械軸或2軸； Z軸：光軸或3軸。,“縱向壓電效應(yīng)”：沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷 “橫向壓電效應(yīng)”：沿機(jī)械軸（Y軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷 在光軸（Z軸）方向時則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,,晶體切片,

17、當(dāng)沿電軸方向加作用力Fx時，則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷,d11壓電系數(shù)（C/N）,作用力是沿著機(jī)械軸方向時， 電荷仍在與X軸垂直的平面,,此時，,,,切片上電荷的符號與受力方向的關(guān)系,圖（a）是在X軸方向受壓力， 圖（b）是在X軸方向受拉力， 圖（c）是在Y軸方向受壓力， 圖（d）是在Y軸方向受拉力。,,,石英晶體的壓電效應(yīng),（a）正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。 （b）在X軸方向壓縮，表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷、B表面呈現(xiàn)正電荷。 （c）沿Y軸方向壓縮，在A和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷,壓電材料簡介,,石英晶體,一種天然晶體，壓電系數(shù)d112.311012C/N； 莫氏硬度為7、

18、熔點為1750、膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。 優(yōu)點： 轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達(dá)100%、穩(wěn)定性好。,,,,2. 壓電陶瓷的壓電效應(yīng),人工制造的多晶體，壓電機(jī)理與壓電晶體不同。,壓電陶瓷的極化,,陶瓷片極化,壓電陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖,自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)值相等， 它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對外的作用， 因此陶瓷片對外不表現(xiàn)極性。,,壓電陶瓷的正壓電效應(yīng),壓電陶瓷片上加上一個與極化反向平行的外力，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，原來吸附在極板上的自由電荷，一部

19、分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。 當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。,放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系,,Q 電荷量； d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F 作用力。,,常見壓電陶瓷,（1）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷 具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。 （2）鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（PZT） 壓電系數(shù)較高，各項機(jī)電參數(shù)隨溫度、時間等外界條件的 變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以 獲得不同性能的PZT材料。 （3）鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-P

20、bZrO3壓電陶瓷（PMN） 具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工 作，可作為高溫下的力傳感器。,常用壓電材料,,(a)等效為一個電荷源Q與一個電容Ca并聯(lián)的電路 (b) 等效成一個電源U = Q/Ca 和一個電容Ca的串聯(lián)電路,壓電式壓力傳感器工作原理,,壓電式壓力傳感器測量原理,壓電式壓力傳感器測量要求,壓電傳感器的晶體可以看成為一個產(chǎn)生電荷的高內(nèi)阻發(fā)電元件，它把壓力的作用變換為電荷量。由于壓電元件的內(nèi)阻很高且輸出信號微弱，一般不能直接記錄和顯示。顯然不能用一般的低輸入阻抗儀表來進(jìn)行測量，否則，壓電晶片上的電荷就要通過測量電路的低輸入阻抗泄漏掉。只有當(dāng)測量電路的輸入

21、阻抗較高，快速測量被測參數(shù)的變化，所測得的結(jié)果才接近電荷的實際變化。,壓電式壓力傳感器的測量線路,組成： 測量線路的組成包括前置放大器、輸出信號電纜 要求： 1.實現(xiàn)阻抗變換，將壓電晶片的高輸出阻抗變換成低輸出阻抗； 2.將微弱的輸出信號實現(xiàn)放大。,,,兩個壓電片的聯(lián)結(jié)方式,（1） “并聯(lián)”，Q=2Q，U=U，C=2C 并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大， 適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方， （2） “串聯(lián)” Q=Q，U=2U，C=C/2 而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。 適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。,圖左）從電路上看，這是并聯(lián)接法， 類似兩

22、個電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。 圖右）從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和，上、 下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。,,壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路,壓電式傳感器要求負(fù)載電阻RL必須有很大的數(shù)值，才能使測量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。 因此常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。 測量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。 前置放大器兩個作用: 把壓電式傳感器的微弱信號放大； 把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。,,,壓電傳感器在實際測量系統(tǒng)中的等效電路,

23、,,（1）電壓放大器,Ca：傳感器的電容 Ra：傳感器的漏電阻 Cc：連接電纜的等效電容 Ri：放大器的輸入電阻 Ci：放大器的輸入電容,前置放大器輸入電壓,壓電元件的力 F=Fmsint 壓電元件的壓電系數(shù)為d11，產(chǎn)生的電荷為Q = d11F。,輸入電壓的幅值,當(dāng)作用力是靜態(tài)力（=0） 時，前置放大器的輸入電壓為零。 原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。 壓電式傳感器突出優(yōu)點：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。,,壓電式壓力傳感器不能測靜態(tài)力 壓電式壓力傳感器時間常數(shù)一定，傳感器的高頻響應(yīng)好。 測量低頻動態(tài)壓力，應(yīng)增大壓電式壓力傳感器的時間常數(shù) 壓電式壓力傳感器的時間常數(shù)與壓電式壓力傳感器的靈敏

24、度ku的關(guān)系(C 但ku ）,,傳感器的低頻響應(yīng)范圍,如果被測物理量是緩慢變化的動態(tài)量，而測量回路的時間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量提高回路的時間常數(shù)。 但這不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數(shù)，因為傳感器的電壓靈敏度與電容成反比的，切實可行的辦法是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。,,,,電壓放大器應(yīng)用限制,壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜

25、電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。 電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元件少，價格便宜，工作可靠，但是電纜長度對傳感器測量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應(yīng)用。,,解決電纜問題的辦法,將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。,,,,（2）電荷放大器,壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。 能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)10101012，輸出阻抗小于100。 使用電荷放大器突出的一個優(yōu)點：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。,,,,,壓電傳感器與電荷放大器連接等效

26、電路,K是放大器的開環(huán)增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相， 若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地”電位。,充電電壓接近等于放大器的輸出電壓,幾點結(jié)論： 1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)， 而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系， 2、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成 線形關(guān)系的輸出電壓。 3、反饋電容Cf小，輸出就大， 4、要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙荨?5、輸出電壓與電纜電容無關(guān)條件： （1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）, 電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無放大電

27、荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。,四通道電荷放大器外形,電荷放大器外形,例1：交通監(jiān)測,將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等。,例2：汽車安全氣囊系統(tǒng),事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發(fā)生劑、 氣體、充氣、彈性體,例3:氣體發(fā)生器輸出特性測試,密封容器壓力測試法,例4：壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用,壓電式步態(tài)分析跑臺,壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置,壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力,3.7 壓力檢測儀表的安裝,一、壓力檢測儀表的選擇 1. 儀表量

28、程的選擇 被測壓力較穩(wěn)定：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的3/4 被測壓力波動較大或測脈動壓力：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的2/3 為保證測量準(zhǔn)確度：最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的1/3 優(yōu)先滿足最大工作壓力條件,,2. 儀表精度的選擇 壓力檢測儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。,,3. 儀表類型的選擇 從被測介質(zhì)壓力大小來考慮 被測介質(zhì)的性質(zhì) 對儀表輸出信號的要求 使用的環(huán)境,壓力表的安裝,1. 取壓口的選擇 在管道或煙道上取壓 測量流動介質(zhì)的壓力 測量液體介質(zhì)的管道上取壓,,2. 導(dǎo)壓管的鋪設(shè) 導(dǎo)壓管是傳遞壓力、壓

29、差信號的。,3. 壓力、壓差計的安裝,壓力傳感器的安裝,1.管子越細(xì)、頻率越高，則吸收效應(yīng)越顯著，壓力波的衰減也就越明顯。 2.隨著傳壓管長的增加，系統(tǒng)的固有頻率就下降，即動態(tài)特性變差。,直管無腔室管道系統(tǒng),有空腔的傳壓管系統(tǒng),,,,,增大n，測量系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的動態(tài)特性變好。若使n增大，則要使傳壓小管直徑d增加，而容腔體積V和傳壓小管長度L要減小 d的增加，和V及L的減小，則會使阻尼比減小。當(dāng)減小到一定程度時，就會使系統(tǒng)的固有頻率n和被測壓力的頻率接近直至相等，嚴(yán)重時產(chǎn)生共振。,,,非諧振傳壓管系統(tǒng),消除共振，改善頻率響應(yīng)特性，擴(kuò)大測量動態(tài)壓力的頻率范圍,,曲線1為容腔環(huán)節(jié)的頻率特性，它表征了壓

30、力測量系統(tǒng)總的頻率特性； 曲線1是增加了傳壓小管直徑d、減小長度L和V，使環(huán)節(jié)的固有頻率增加，然而此舉使阻尼比減少 虛線1,采用非諧振傳壓管系統(tǒng)，改善了整個系統(tǒng)的頻率特性,基本參數(shù)指標(biāo),,環(huán)境參數(shù)指標(biāo),,可靠性指標(biāo),,其他指標(biāo),,量程指標(biāo)： 量程范圍、過載能力等 靈敏度指標(biāo)： 靈敏度、分辨力、滿量程輸出等 精度有關(guān)指標(biāo)： 精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性 動態(tài)性能指標(biāo)： 固定頻率、阻尼比、時間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時間等,,溫度指標(biāo)： 工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等 抗沖振指標(biāo)： 允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所

31、引入的誤差 其他環(huán)境參數(shù)： 抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕等能力、抗電磁場干擾能力等,,工作壽命、平均無故障時間、保險期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等,,使用有關(guān)指標(biāo)： 供電方式（直流、交流、頻率及波形等）、功率、各項分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等 外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點等 安裝方式、饋線電纜等,,,3.8 傳感器的標(biāo)定,標(biāo)定：通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系。 標(biāo)定曲線：試驗求得的傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系曲線（輸出特性曲線）。 標(biāo)定方法： 利用已知的標(biāo)準(zhǔn)值輸入到待標(biāo)定的傳感器中，傳感器得到相應(yīng)的輸出量，將輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量繪制成曲線即得標(biāo)定曲線。按傳感器的種類和使

32、用情況不同，其標(biāo)定方法也不同。荷重、應(yīng)力、壓力傳感器等的靜標(biāo)定方法是利用壓力試驗機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；它們更精確的標(biāo)定則是在壓力試驗機(jī)上用專門的荷載標(biāo)定器標(biāo)定；位移傳感器的標(biāo)定則是采用標(biāo)準(zhǔn)量塊或位移標(biāo)定器。 標(biāo)定要求： 標(biāo)定應(yīng)該在與其使用條件相似的狀態(tài)下進(jìn)行； 增加重復(fù)標(biāo)定的次數(shù)，以提高測試精度； 傳感器需定期標(biāo)定，一般以一年為期； 對重要的試驗，需在試驗前后的標(biāo)定誤差，在允許的范圍內(nèi)。,傳感器的標(biāo)定分為靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定兩種。 靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。 傳感器的動態(tài)標(biāo)定主要是研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)。而與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，一階傳感器只有一個時間常數(shù)、二階

33、傳感器則有固有頻率n和阻尼比兩個參數(shù); 動態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。有時，根據(jù)需要也要對橫向靈敏度、溫度響應(yīng)、環(huán)境影響等進(jìn)行標(biāo)定。,選用傳感器的基本原則： 1）根據(jù)實際需要，保證主要的參數(shù)。 2）不必盲目追求單項指標(biāo)的全面優(yōu)異，主要關(guān)心其穩(wěn)定性和變化規(guī)律性。,,,靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件,沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫（205）、相對濕度不大于85% ，大氣壓力為1017kPa的情況。,,,,標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級的確定,對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定傳感器的各項性能指標(biāo)，實際上也是確定傳感器的測量精

34、度。 標(biāo)定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被標(biāo)定的傳感器的精度高一個等級。這樣，通過標(biāo)定確定的傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)才是可靠的，所確定的精度才是可信的。,,,,,靜態(tài)特性標(biāo)定的方法,標(biāo)定過程步驟： 將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點； 根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值； 將輸入值由大到小一點一點的減少，同時記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值； 按、所述過程，對傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試，將得到的輸出輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線； 對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性

35、等靜態(tài)特性指標(biāo)。,,壓力發(fā)生部分,測量部分,,,,,活塞壓力計標(biāo)定過程,標(biāo)定時，把傳感器裝在聯(lián)接螺帽上。然后，按照活塞壓力計的操作規(guī)程，轉(zhuǎn)動壓力泵的手輪，使托盤上升到規(guī)定的刻線位置，按照所要求的壓力間隔，逐點增加砝碼重量，使壓力計產(chǎn)生所需的壓力，同時用數(shù)宇電壓表記下傳感器在相應(yīng)壓力下的輸出值。這樣就可以得出被標(biāo)定傳感器或測壓系統(tǒng)的輸出特性曲線(即輸出與壓力之間的關(guān)系曲線)。根據(jù)這條曲線就可確定出所需要的各個靜態(tài)特性指標(biāo)。,加壓前的準(zhǔn)備 關(guān)閉壓力計上的兩個閥門，開啟壓力臺上油杯的進(jìn)油閥。 搖退壓力臺上的活塞螺桿，使壓力臺油缸中充進(jìn)油。 關(guān)閉油杯的進(jìn)油閥，然后開啟壓力計上的閥門。 搖進(jìn)活塞螺桿，直

36、至壓力計上有壓力讀數(shù)為止。 校驗 在測量范圍內(nèi)選取從0.5兆帕至5.5兆帕間隔0.5兆帕作為校驗點，增壓至校驗點后讀數(shù)，輕敲表殼后再讀數(shù)。 增壓至5.5兆帕后再緩慢降壓至每一校驗點進(jìn)行校驗。,活塞壓力計標(biāo)定實驗步驟,圖 3.52 壓力標(biāo)定曲線,上述標(biāo)定方法不適合壓電式壓力測量系統(tǒng)，因為活塞壓力計 的加載過程時間太長，致使傳感器產(chǎn)生的電荷有泄漏，嚴(yán)重 影響其標(biāo)定精度。所以，對壓電式測壓系統(tǒng)一般采用杠桿式 壓力標(biāo)定機(jī)或彈簧測力計式壓力標(biāo)定機(jī)。 為了保證壓力傳感器的測量準(zhǔn)確度，需定期檢定，檢定周期最長不超過一年。,,,杠桿式測力計標(biāo)定裝置，如圖所示，砝碼重量與壓力的關(guān)系 W=pSb/a,彈簧式測力計

37、標(biāo)定裝置，如圖所示， p=F/S 式中，F(xiàn)測力計檢定表所測得的傳感器所受的力； S傳感器的受力面積。,,,壓力傳感器的動態(tài)標(biāo)定,給傳感器加一個特性已知的校準(zhǔn)動壓信號作為激勵源，從而得到傳感器的輸出信號，經(jīng)計算分析、數(shù)據(jù)處理，即可確定傳感器的頻率特性。 壓力傳感器在標(biāo)定時廣泛采用激波管法方法。 激波管法三大特點： 壓力幅度范圍寬，便于改變壓力值； 頻率范圍寬 (2kHz 2.5MHz) ； 便于分析研究和數(shù)據(jù)處理。,,,,1. 激波管標(biāo)定裝置工作原理,圖 3.54 激波管標(biāo)定裝置系統(tǒng)原理框圖,1-高壓室 2-低壓室 3-膜片 4-側(cè)面被標(biāo)定的傳感器 5-底面被標(biāo)定的傳感器 6、7-測速壓力傳

38、感器 8-測速前置級 9-數(shù)字頻率計 10-測壓前置級 11-記錄裝置 12-氣源 13-氣壓表 14-泄氣門,,,激波管標(biāo)定裝置系統(tǒng),激波管 入射激波測速系統(tǒng) 標(biāo)定測量系統(tǒng) 氣源,,,,,激波管中壓力與波動情況,膜片爆破前的情況 (b) 膜片爆破后稀疏波反射前的情況 稀疏波反射后的情況 (d) 反射激波的波動情況,,,激波管標(biāo)定過程,由激波管作為動態(tài)壓力源，產(chǎn)生一個階躍壓力來激勵被標(biāo)定的壓力傳感器，然后用適當(dāng)?shù)挠涗泝x器記下傳感器被激勵后的響應(yīng)過程，最后，根據(jù)這一響應(yīng)曲線求出傳感器的傳遞函數(shù)或頻率特性。,,,2. 正弦壓力發(fā)生器,當(dāng)振動臺產(chǎn)生振動時，彈簧活塞塊就受到一個與振動臺頻率相同的加速度激勵，腔室內(nèi)的油受活塞塊作用產(chǎn)生壓力變化，從而使標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被標(biāo)傳感器同時受到正弦變化的壓力作用。通過改變振動臺的振動頻率和幅度，就可實現(xiàn)動態(tài)標(biāo)定的目的，得到系統(tǒng)的幅頻特性。,思考題,電阻應(yīng)變式壓力傳感器與壓阻式壓力傳感器的區(qū)別？ 什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？ 壓電傳感器能否用于靜態(tài)測量? 電荷放大器和電壓放大器有何特點？ 非諧振傳壓管路的優(yōu)點？ 活塞壓力計的標(biāo)定原理?,